基于原子磁力仪的微弱磁场矢量测量方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN110988757A(43)申请公布日2020.04.10(21)申请号201911201483.0(22)申请日2019.11.29(71)申请人山东航天电子技术研究所地址264003山东省烟台市高新区航天路513号(72)发明人史钰峰刘金胜王文丛时洪宇赵小利邵思霈(74)专利代理机构北京金硕果知识产权代理事务所(普通合伙)11259代理人孙丽娜(51)Int.Cl.G01R33/032(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图1页(54)发明名称基于原子磁力仪的微弱磁场矢量测量方法(57)摘要本发明涉及基于原子磁力仪的微弱磁场矢量测量方法，激光器输出的线偏振激光经过偏振方向旋转器，控制激光的偏振方向；原子气室置于方向可控的射频磁场内线偏振激光穿过原子气室后，透射光被光电探测器探测；光电探测器获取的不同频率信号大小取决于外界磁场与激光偏振方向的夹角；通过解算磁共振时透射光信号的直流分量、一倍频分量、二倍频分量信号获得磁场的大小和方向。本发明的有益效果是可对地磁场的大小和方向进行高精度测量，磁场测量精度能够达到nT量级，测量灵敏度能够达到pT量级，并且无工作盲区。CN110988757ACN110988757A权利要求书1/1页1.基于原子磁力仪的微弱磁场矢量测量方法，其特征在于：激光器输出的线偏振激光经过偏振方向旋转器，控制激光的偏振方向；原子气室置于方向可控的射频磁场内，线偏振激光穿过原子气室后，透射光被光电探测器探测；光电探测器获取的不同频率信号大小和磁场与激光偏振方向的夹角相关；原子基态在磁场作用下退简并形成三个磁子能级，在射频磁场的作用下发生磁共振，原子基态三个磁子能级耦合在一起，形成了新的相干叠加态，产生频率为ωL、2ωL的量子拍信号，归一化透射光信号为：其中，LAdc为信号的直流分量；为信号的一次谐波分量；为信号的二次谐波分量；通过检测透射光信号的直流分量、一次谐波分量、二次谐波分量信号获得磁场的大小和方向。2.根据权利要求1所述的微弱磁场矢量测量方法，其特征在于：对射频磁场进行调制，解调得到透射光信号的直流分量LAdc的磁共振信号，或者直接利用透射光信号的二次谐波分量将射频磁场的频率锁定在磁共振点ωL，得到磁场的大小。3.根据权利要求1所述的微弱磁场矢量测量方法，其特征在于：调整射频线圈的参数，即调整两对射频线圈电流信号的相位角，使射频磁场方向与激光偏振方向相同，保证磁子能级跃迁的拉比频率Ω保持恒定；检测与射频场频率同相位的透射光信号的和信号的幅值比通过解算得到磁场与激光偏振方向的夹角；通过调节电压控制偏振方向旋转器，改变激光的偏振方向，测量多个偏振方向下透射光信号的和信号的幅值比通过解算得到磁场的方向。2CN110988757A说明书1/4页基于原子磁力仪的微弱磁场矢量测量方法技术领域[0001]本发明属于量子精密测量、空间磁场探测技术领域，尤其涉及一种基于原子磁力仪的微弱磁场矢量测量方法。背景技术[0002]磁场是一种重要的空间物理场，磁场高精度矢量测量对于空间磁场测量、卫星定姿、地磁导航、地震监测、磁性目标探测等应用是非常重要的。通常磁场矢量测量主要以磁通门磁力仪为主，由于工作原理的限制，磁通门磁力仪存在正交度误差；随时间积累以及在温度变化过程中，磁通门磁力仪存在零漂问题，会影响磁测数据的准确度；现阶段磁场测量要求的灵敏度也非常高，需要测量pT量级甚至更低的磁异常信号，磁通门磁力仪极难具有这样低的灵敏度。为了实现磁场矢量高精度测量，通常使用只能对磁场大小测量的原子磁力仪对三轴磁通门磁力仪进行校准，然而由于原子磁力仪容易受磁通门磁力仪的干扰，两个磁力仪会相距一定的距离，必然会引入测量误差以及数据处理的滤波和同步误差。由此可见，需要一种能够同时对磁场的大小和方向进行测量的新型矢量原子磁力仪，用于磁场矢量高精度测量。[0003]传统的矢量磁力仪包括超导量子干涉器件磁力仪(SQUID)、磁阻磁力仪、磁通门磁力仪等，这些磁力仪都是由三个单轴传感器通过装配的方式组装成三轴矢量传感器，本身存在不可避免的正交误差，难以满足磁场矢量高精度测量的需求。发明内容[0004]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于原子磁力仪的微弱磁场矢量测量方法，目的是对磁场的大小和方向进行高精度测量，测量精度能够达到nT量级，测量灵敏度能够达到pT量级，并且无工作盲区。[0005]本发明的技术方案为：基于原子磁力仪的微弱磁场矢量测量方法，激光器输出的线偏振激光经过偏振方向旋转器，控制激光的偏振方向；原子气室置于方向可控的射频磁场内线偏振激光穿过原子气室后，透射光被光电探测器探测；光电探测器获取的不同频率信号大小和磁场与激光偏振方向的夹角相关；原子基态在磁场作用